多级降压调节阀流激振动监测方法研究

徐东涛, 隋 帆, 彭思达, 路庆发, 孟祥瑞, 安 龙

(1.辽宁科技大学 机械工程与自动化学院, 辽宁 鞍山 114051; 2.鞍钢集团矿业有限公司 东鞍山烧结厂, 辽宁 鞍山 114041; 3.鞍山拜尔自控有限公司, 辽宁 鞍山 114300)

引言

调节阀是现代控制系统中必备的元件之一,起到控制流量、节流、稳压等作用,广泛地应用于石油化工、水利、能源等工业部门[1-2]。随着科技发展,对控制系统的可靠性、声污染等方面的要求越来越高,这就对调节阀内流场的声振特性监测提出更高要求[3]。流激振动是流场介质引发的结构振动,主要有涡激振动和空化振动等形式[4]。在高温、大压差,大流量等严酷工况下,阀内介质流过多级降压元件时,存在漩涡的形成、发展、消退过程,极易引起流量失稳、压力失衡,形成湍流脉动冲击,从而产生涡激振动。当介质为液体时,流场内压力急剧下降到该液体饱和蒸汽压会出现空化现象,压力恢复后空化气穴产生破裂,从而形成空化振动。当流激振动的主频率与调节阀的固有频率相等或相近时,将会引发流致共振。这种共振会引起大变形位移,产生巨大噪声,严重还会影响生产线的人员安全与产品质量[5-7]。

一些学者已经对流激振动现象进行了相关研究。王海民等[8]计算出三偏心蝶板和阀杆的固有频率,与卡门涡街的频率计算公式相结合,得出两者不发生共振的条件;康庄等[9]分别研究了迟滞效应、表面粗糙度旋转自由度及附加质量系数变化对圆柱或立管的涡激振动影响;CHIZFAHM A等[10]研究了风速对涡轮机的升力系数影响,得出旋涡脱落与结构振荡是同步的结论。李树勋等[11]设计了高压降迷宫套筒组合调节阀,得到不同开度时升力系数的时域和频域信息,通过与阀的模态频率和振型进行对比,判断阀不会出现涡激振动锁定。YOUN C等[12]基于CFD对压缩空气通过节流孔与径向狭缝结构流动进行了分析,得到不同流动状态下压力脉动曲线。葛长榕等[13]以多级降压调节阀为研究对象,监测流场和流道壁面处的压力脉动,来评价阀的流激振动特性。郭涛等[14]基于LES和流固耦合插值算法,计算直管流体脉动压强和剪切力作用下结构振动响应,得到光滑直管中流致振动的振源主要来自流体的脉动压力。马玉山等[15]对调节阀开度与阀芯振动的关系以及流体不稳定流动对调节阀振动的影响研究。

高温高压的内流场,很难通过实验手段验证上述监测方法的正确性。本研究设计了一种多级降压调节阀,介质流经各级节流元件,压力逐级下降,使阀内不会空化振动,实现同性质流激振动条件下,分别采用监测流场的升力系数和压力脉动两种技术路线结合流激振动形成机理分析调节阀的流激振动特性,通过对两种监测方法进行研究,分析两种方法监测到流场流激振动频谱信息的优缺点,可以为更精准地分析阀的流激振动特性提供依据。

1 多级降压调节阀结构描述

DN250多级降压调节阀的结构如图1所示。

图1 多级降压调节阀的结构

多级降压调节阀包含阀体、阀座、多层套筒、阀塞、压笼、阀盖和阀杆七个主要元件组成。阀杆与阀塞固定,阀杆上面与执行机构连接,带动阀塞在行程范围内移动,使得多孔套筒上内套筒的节流孔逐步成为有效的流通面积,改变流经调节阀的流量。当流体流过多层套筒时,流体的流速随着流通面积的减小而增大,流体的静压下降。如果流体压力下降到当前温度的饱和蒸气压时,就会发生空化振动。多层套筒的节流孔可将阀内流体的大压差分解成几个小压差,逐渐降低阀门内流体的压力,以防止空化振动产生。外套筒和中套筒结构可以通过分配相同的节流小孔来设计。内套筒不仅有减压作用,还可以控制每一开度的流量。这样调节阀的流激振动将以涡激振动为主要形式,满足采用不同的检测方法检测相同目标,更具有比较价值。

2 多级降压调节阀的流动特性仿真分析

2.1 仿真模型的建立

阀的通径为DN250 mm,阀塞直径为165 mm。通过反向建模生成与各开度对应的流体模型。根据阀实际工作条件,阀内介质为水。设定调节阀入口压力和出口压力分别为10 MPa和3 MPa,介质温度为473.15 K。

调节阀流体模型网格由Fluent Meshing软件划分,采用四面体与六面体混合网格,对节流孔附近流体进行局部网格细化,划分网格后进行网格无关性验证。网格无关性参考值以全开稳态条件下得到调节阀出口流量以及流体最大流速作为判断依据,具体数据如表1所示。

表1 流体网格无关性检验数据

由表1可知,当有限元网格数量从5177818增加到6361212时,仿真得到调节阀的最大流量和出口流速数据趋向稳定,不会因为细化有限元网格而影响仿真精度,所以选取有限元网格数量为5177818个,进行模拟仿真,可以满足流体有限元网格无关性要求。网格模型如图2所示。

图2 流体有限元网格

仿真过程中选取了准确性更好的RNGk-ε湍流模型进行瞬态流场模拟[16]。

2.2 流场数值仿真分析

1) 流量数值仿真

阀塞行程为100 mm,流通方式采用底进侧出。该多级降压调节阀是按照直线型流量特性,理论流通能力Cv为360 m3/h设计的,仿真得到该阀的实际流通能力为358.96 m3/h。仿真得到各开度相对流量系数C,如图3所示。

图3 仿真相对流量系数与理论数据对比

相对流量系数是某一开度时,实际流通能力与理论流通能力的比值,无量纲。从图3可以看出,该调节阀符合直线型流量特性,各个开度的流量误差均较小,开度40%到开度90%处,流量均大于理论值,最大误差在开度70%处,误差值为4.29%;其余开度流量均小于理论值;全开时,流量略小于理论值,仅有0.29%的误差,符合设计要求。

2) 流场压力,流速和涡核速度数值仿真

以稳态场作为瞬态场的初始值;环境压力设置0 MPa;Time Step Size设置0.00025 s,Number of Time Steps设置8000,仿真分析2 s流场内部的流体流动特性。对10%,50%和100%三种典型开度,2 s时刻流场压强、流速以及漩涡速度进行数值模拟。图4为三种开度下压力分布云图。

图4 不同开度压力云图

图4中最大压力为10 MPa,位于入口处,最小压力为3 MPa,位于出口处。图4a中只有最内层套筒下面节流孔处于流通状态,阀内流体的压力在节流孔处产生明显压降,且降压幅度比较剧烈。此时流通面积较小,流量也较小,外层套筒降压效果不明显。从图4b和4c可以看出,当开度增大时,流通面积增大,流体经过节流元件时压力逐级下降,降压后的压力在饱和蒸气压以上,有效地防止空化振动。多层套筒的多孔结构不仅能较好地控制流量特性,也有一定的降压功能。

图5为三种开度下流速分布云图。从图5中可以看出,由于流体流经多层套筒时流通面积减小,流体流速增加;三种开度的流体最大流速均位于多层套筒的节流孔处。图5a是开度为10%时的内流场流体速度分布云图,节流面积最小,节流孔处流体流速最大为151.7 m/s。图5b和5c大部分的节流孔都处于流通状态,流体最大速度分别为142.6,136.5 m/s,也都是分布在节流孔处,从图中可以看出节流孔周围流速变化比较复杂,明显出现漩涡和漩涡脱落现象。

图5 不同开度速度云图

图6为三种开度下涡核速度分布云图。由图6可知,漩涡主要出现在多层套筒的节流孔区域。10%开度,涡核最大流速为142.8 m/s;50%开度,涡核最大流速为140.4 m/s;100%开度,涡核最大流速为127.8 m/s。随着开度增加,多层套筒附近的旋涡数量明显增多,而漩涡速度呈现逐渐减小的趋势,大涡有向小涡转变的趋势。各个开度都有漩涡脱落现象。

图6 不同开度涡核速度云图

3 多级降压调节阀流量实验研究

为了验证流量仿真数据的准确性,设计了调节阀流量实验装置,如图7所示。

图7 流量实验装置

实验装置包括供水区,测试区两个部分。供水区由4组并联的储水罐,管道泵,膨胀节和稳压罐组成,通过变频器控制管道泵为测试区调解水压,当需要较高压力时,4组并联的管道泵同时工作为测试区提供更高的水压。测试区包括多条并联的测试线路,可对DN15～DN650的调节阀进行实验。每一条测试线以测试阀为中心,出入口端各配置一对压力表,电动压力控制器和手动球阀,且连接一个电磁流量计和压差变送器。实验时,打开测试线两端的手动球阀,利用测试阀两侧的电动压力控制阀和压差变送器精确调节阀前后两端的压差,使其满足调节阀流量测试标准(GB4213-2008)规定的35,50,75 kPa三个不同压差,通过电磁流量计读取各个开度流经测试阀的流量。每个开度测试流量10次求平均值。

按照调节阀流通能力与压差的关系式:

(1)

式中, Δp—— 阀出入口的压差,kPa

Q—— 流经调节阀的流量,m3/h

将压差换算成100 kPa,得到每小时流经调节阀的常温水的体积流量,即流通能力Cv。实验测得三类压差35,50,75 kPa的流量,如表2所示。

表2 流量实验数据

从表2中可以将调节阀的实验流量数据与仿真流量数据进行对比,实验流量Cv为361.90 m3/h略大于仿真值。阀门的流量特性与仿真数据相近,符合直线型流量特性。50%～100%开度实验值大于仿真值,最大误差出现在90%开度,仅有2.21%。说明该阀的流量特性数值仿真是可靠的,此类设置的仿真条件能满足阀流动特性仿真的要求。

4 基于升力系数的流激振动的频谱分析

漩涡脱落是横向流诱导振动主要原因之一,横向流诱导振动是涡激振动的主要形式。漩涡脱落以后,顺流向会形成曳力,横流向会形成升力,采用无量纲的升力系数代表平均升力。通过对流场中升力系数进行监测,可以得到升力系数频谱图。功率谱密度峰值的频率就是漩涡脱落主频率。升力系数可以表示为:

(2)

式中,FL—— 涡脱升力,N

ρ—— 来流密度,kg/m3

U—— 流场来流速度,m/s

S—— 来流迎风面积,m2。

在流场中2 s时刻内,对不同开度的漩涡脱落产生的升力系数进行监测,得到升力系数相应的时域曲线,进行快速傅里叶变换,监测到三种开度下升力系数的频域曲线如图8所示。

图8 升力系数的频谱图

图8中纵坐标是升力系数的波动幅值(无量纲),横坐标为频率。升力系数波动峰值的频率就是涡旋脱落主频。从图8得到三种开度下的调节阀漩涡脱落主频和升力系数波动峰值如表3所示。

表3 升力系数的频域特性值

分析表明,不同开度多级降压调节阀的旋涡脱落主频不同,流激振动的频率在0～150 Hz之间。流体流过多层套筒,节流面积急剧下降,流速受到干扰,容易发生涡流脱落。在小开度时,节流面积最小,流场变化最为剧烈,且频率分布范围广。其他开度流激振动主频较小,仅为小开度的1/3。根据监测机理,这种流激振动的监测是对整个流场漩涡脱落过程产生平均升力的频谱监测,不考虑漩涡之间叠加,流道形状等影响因素。

5 基于流场压力脉动的流激振动频谱分析

从阀内流场涡核速度分布云图中看出流场内产生大量的漩涡,漩涡大小的变化、漩涡脱落的过程,发生湍流压力脉动。通过在流场内设置一些监测点,可以得到监测点处的压力脉动的频谱信息。当流场内没有空化现象时,压力脉动只是由漩涡脱落时产生的涡激振动引起,与监测升力系数具有相同性质的监测目标,使监测结果具有可比性。

5.1 监测点的设置

为得到阀内流体压力脉动信息,根据流体流线轨迹在阀内设置13个阀内监测点,如图9所示。

图9 调节阀内部压力脉动监测点

由图9可知,监测点P1,P2,P3,P4,P5,P6,P7,P8,P9均分布于流体流道对称面上,其中点P1～P5位于节流元件之前,点P6～P9位于节流元件附近;监测点S1,S2为入口端近壁面上的点,监测点S3,S4为出口端近壁面上的点。

5.2 压力脉动频谱分析

为得到调节阀流道内湍流压力脉动的激振主频,监测到10%,50%和100%开度流场内13个监测点,2 s时刻内压力脉动时域信息,对压力脉动时域信息进行快速傅里叶变换,得到节流元件之前监测点P1～P6,S1,S2的压力脉动的频域特征曲线,如图10所示。

如图10所示,纵坐标是压力脉动功率密度频谱图,反应流激振动的幅值,横坐标是压力脉动频率。此调节阀流场内的压力脉动频率主要集中在300 Hz以内。根据压力脉动功率密度可以得到流场流激振动的主频。

在不同开度,P1～P3、S1～S2压力脉动功率谱密度数值偏小,无明显主频。这些位置流场受到扰动小处于层流状态,无明显的流激振动。监测点P4～P6随着开度的增大,压力脉动越来越显著,但是其功率谱密度的数值偏小,出现的压力脉动主频为0～50 Hz。所以,监测点的位置设置是非常重要的,直接影响压力脉动的准确性。节流元件之前,流场内没有明显的压力脉动现象,既没有明显的流激振动。

监测到节流元件之后监测点P7～P9,S3,S4的压力脉动的频域特征曲线,如图11所示。

图11 节流元件之后压力脉动频谱图

根据图11,节流元件之后的监测点监测到流场压力脉动明显更加活跃。调节阀在10%开度时,监测点的功率谱密度较小,主频范围在0～50 Hz;50%开度时,压力脉动功率谱密度数值明显增大,且具有多个波峰,主频范围为0～150 Hz;调节阀100%开度时,P6～P7压力脉动功率谱密度数值又进一步增加,监测点P8～P9、S3主频范围为0～170 Hz。S4压力脉动功率谱密度数值在当前开度下最大,主频不唯一且跨度宽,范围为0～180 Hz。结合三种开度得出调节阀流激振动主频范围为0～180 Hz。

显然,开度对流激振动的影响显著,随着开度增加,压力脉动的功率谱密度明显增强,而主频范围也在增大,当无空化振动的条件下,压力脉动是由多个漩涡脱落形成湍流压力脉动的叠加效应,大开度漩涡增加,叠加后形成压力脉动的功率谱密度更大, 振动主频范围更广。

监测点S4功率谱密度数值最大,监测点位于阀门出口下端近壁面,经过降压套筒的流体,会对调节阀下端行成冲击力,这是由于调节阀阀体形状引起的,与S3对比,下端的冲击力要大于上端,说明流道的形状对流激振动有明显的影响;监测点的位置和数量设置是监测准确性的重要因素。

6 流激振动监测方法对比分析

两种不同监测机理得到流场流激振动的主频如表4所示。

表4 流激振动的主频范围

根据表4,两种方法监测到调节阀流场内流激振动的主频范围相近,但是不同开度下,主频范围分布不同。根据两者的监测机理,发现两种方法各有优缺点,监测值总体可靠。监测升力系数是对整个流场的漩涡脱落时产生的流激振动进行监测;而监测压力脉动是对有限监测点的监测,监测点的数量和位置直接影响监测准确性。小开度时,涡旋数量较少,选择监测压力脉动的监测点时很难捕捉到最为显著的压力脉动;监测升力系数是监测整个流场漩涡脱落过程,更适合对小开度的流场流激振动进行监测。而随着开度的增大,节流面积的增大,流场流速降低,漩涡脱落产生的平均升力逐渐减小,所以监测以独立漩涡脱落过程产生的流激振动的主频也在减小;但是监测压力脉动是对检测点流场多因素波动产生的流激振动的综合效果。中高开度采用监测压力脉动得到流激振动的功率谱密度更大,振动主频范围更大。如果有其他流激振动形式存在(如空化振动等),且漩涡数量较多的情况下,采用监测压力脉动更合理。

7 结论

(1) 采用监测漩涡脱落过程中升力系数频谱和监测湍流压力脉动频率两种方法都可以用来评估流激振动的频率。前者是对流场内所有漩涡脱落过程进行监测,但是没有考虑多种流激振动因素的相互叠加、相互干扰的影响。后者综合考虑了多种流激振动形成的压力脉动的综合效果,但是受到监测点的位置和数量的影响严重。节流元件附近及调节阀出口近壁面处压力脉动显著,是设置压力脉动监测点的优选位置;

(2) 在漩涡数量较少的小开度,更适合采用监测升力系数频谱的方式来评估阀的流激振动特性。而在其他开度采用监测压力脉动频谱的方式更合适。采用两种方法相结合的方式可以更精准地评估阀的流激振动特性。经过两种方法对多级降压调节阀流激振动的监测的综合分析,该阀的流激振动主频在 0～180 Hz;

(3) 设计的循环式并联流量测试装置,能够快速调节测试阀两端的压差;能精准地测试不同通径调节阀的流量,从而验证了仿真结论的准确性。